CN109994482B

CN109994482B - 一种nand器件及其制作方法、电子装置

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Publication number: CN109994482B
Application number: CN201711482723.XA
Authority: CN
Inventors: 张宏; 黄永彬; 杨海玩; 周朝锋; 周乾
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Zhongxin North Integrated Circuit Manufacturing Beijing Co ltd; Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN109994482A

Abstract

本发明提供一种NAND器件及其制作方法、电子装置，该制作方法包括：确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，其中所述光刻图案包括多个间隔排列的核，所述第一核表示所述多个核中紧邻选择栅的核，所述第二核表示所述多个核中与所述第一核相邻的核；根据所确定的第一核和第二核之间的距离设计光罩；使用所述光罩在衬底上形成所述用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案；在所述核的侧壁上形成间隙壁；去除所述光刻图案；以所述间隙壁为掩膜进行控制栅刻蚀。该制作方法可以克服NAND器件中靠近选择栅的第二根字线容易出现变小和损伤问题，从而改善边缘字线特征尺寸的均匀性，提高器件的性能。该NAND器件和电子装置具有类似的优点。

Description

一种NAND器件及其制作方法、电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件特别是NAND器件及其制作方法、电子装置。

背景技术

随着半导体制程技术的发展，在存储装置方面已开发出存取速度较快的快闪存储器(flash memory)。快闪存储器具有可多次进行信息的存入、读取和擦除等动作，且存入的信息在断电后也不会消失的特性，因此，快闪存储器已成为个人电脑和电子设备所广泛采用的一种非易失性存储器。而NAND(与非门)快速存储器由于具有大存储容量和相对高的性能，广泛用于读/写要求较高的领域。

然而，随着工艺进入2Xnm(例如20nm)及以下，字线(Word L ine)特征尺寸(CD)均匀性成为一个问题，靠近选择栅的第二根字线容易出现特征尺寸变小和损伤问题，导致边缘字线的特征尺寸均匀性不好。

因此有必要提出一种半导体器件及其制作方法、电子装置，以解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明提出一种半导体器件及其制作方法、电子装置，可以克服NAND器件中靠近选择栅的第二根字线容易出现变小和损伤问题，改善边缘字线特征尺寸的均匀性，提高器件的性能。

为了克服目前存在的问题，本发明一方面提供一种NAND器件的制作方法，用于实现NAND器件制作中控制栅的双重图形刻蚀，该制作方法包括：

确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，其中所述光刻图案包括多个间隔排列的核，所述第一核表示所述多个核中紧邻选择栅的核，所述第二核表示所述多个核中与所述第一核相邻的核；

根据所确定的第一核和第二核之间的距离设计光罩；

使用所述光罩在衬底上形成所述用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案；

在所述核的侧壁上形成间隙壁；

去除所述光刻图案；

以所述间隙壁为掩膜进行控制栅刻蚀。

在本发明一个实施例中，所述确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离包括：

在用于控制栅双重图形刻蚀的实验用光罩的测试结构区域设计具有不同第一核间距的图案，所述第一核间距表示所述第一核的特征尺寸和所述第一核与所述第二核之间距离的和；

使用所述实验用光罩进行控制栅的双重图形刻蚀，以在半导体衬底上形成字线图案；

测试所述半导体衬底上的测试结构区域中的字线的特征尺寸；

确定所述半导体衬底上的测试结构区域中特征尺寸满足要求的字线所对应的所述第一核的特征尺寸以及所述第一核与第二核之间距离。

在本发明一个实施例中，所述实验用光罩的测试结构区域中的所述第一核的特征尺寸为23nm～29nm。

在本发明一个实施例中，所述实验用光罩的测试结构区域中的所述第一核与所述第二核之间距离为66nm～78nm。

在本发明一个实施例中，在所述光罩中所述第一核与第二核之间的距离比所述实验用光罩中所述第一核与第二核之间的标准距离增大5nm～7nm。

根据本发明的NAND器件的制作方法，通过测试确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，找到最佳设计条件，从而有效平衡刻蚀过程中的负载效应的影响，进而克服了NAND器件中靠近选择栅的第二根字线容易出现变小和损伤问题，改善边缘字线特征尺寸的均匀性，提高器件的性能。

进一步地，根据本发明的NAND器件的制作方法，由于通过改变第一核和第二核之间的距离来平衡刻蚀过程中的负载效应的影响，无需增加额外的虚拟字线，从而不会降低器件的密度。

本发明另一方面提供一种NAND器件，包括：半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有字线图案，所述字线包括依次堆叠设置的浮栅、隔离层和控制栅，其中所述控制栅上述的NAND器件的制作方法制作。

根据本发明的NAND器件，由于采用上述方法制作，因此具有更好的字线均匀性，性能提高。

本发明再一方面提供一种电子装置，其包括如上所述的NAND器件以及与所述NAND器件相连接的电子组件

本发明提出的电子装置，由于具有上述NAND器件，因而具有类似的优点。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1A示出一种NAND器件的结构示意图；

图1B示出NAND器件中字线的示意性俯视图；

图2A示出NAND器件制作中控制栅的示意性布图；

图2B示出NAND器件制作中控制栅的双重图形刻蚀过程示意图；

图2C示出第二根字线特征尺寸随第一核和第二核之间的距离的变化示意图；

图3示出了根据本发明一实施方式的NAND器件的制作方法的步骤流程图；

图4示出了根据本发明一实施方式的电子装置的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

图1A示出一种NAND器件的结构示意图；图1B示出NAND器件中字线的示意性俯视图。如图1A和图1B所示，NAND器件包括选择栅SG和位于选择栅SG之间的字线阵列WL1～WLn，字线阵列中字线的个数与NAND器件的位数相对应，例如对于64位NAND器件，则一般字线阵列中至少包括64个字线。在实际制作中，为了获得更好的器件性能，在字线阵列中还设置有虚拟字线(dummy word line)，例如图1A和图1B中，字线WL1和字线WLn为虚拟字线。然而在制作这种NAND器件时，与选择栅SG相邻的第二根字线容易出现特征尺寸变小和损伤问题，导致边缘字线的特征尺寸均匀性不好。在此，所谓的靠近选择栅的第二根字线指的是距离每个选择栅SG第二近的字线，例如图1A中字线WL2和WLn-1均为与选择栅SG相邻的第二根字线，其在浮栅刻蚀完成之后，容易出现损伤和特征尺寸变小的问题，从而导致边缘字线的特征尺寸均匀性不好，影响器件的性能。

进一步地，目前NAND器件制作中，控制栅刻蚀一般采用双重图形(doublepattern)刻蚀，控制栅的布图和双重图形刻蚀过程分别如图2A和图2B所示。控制栅双重图形刻蚀具体为：首先在图2A中定义用于控制栅双重图形刻蚀的核图案(图2A中SG为选择栅图案，1、2、3为核图案)，其中每个核的特征尺寸与最后形成的NAND器件中字线之间的距离对应，然后以使用该控制栅布图的光罩进行双重图形刻蚀，第一步先在衬底上形成光刻图案，所述光刻图案包括多个间隔排列的核(core，例如图2B C1、C2、C2)，然后在核的侧壁上形成间隙壁(例如图2B中L1～L6)，间隙壁的形状、大小和位置与拟形成的字线(例如图2B中WL1～WL6)形状、大小和位置一致；然后去除光刻图案，以间隙壁为掩膜进行控制栅的刻蚀，所述控制栅的刻蚀包括控制栅硬掩膜层的刻蚀和控制栅材料层的刻蚀。当完成控制栅的刻蚀之后还包括隔离层(ONO)的刻蚀以及浮栅的刻蚀，在完成浮栅刻蚀之后，会出现边缘字线的均匀性不好的问题，经过分析认为这是由刻蚀负载效应(etching loading)引起的。

在目前的控制栅布图设计采用固定间距尺寸，然而刻蚀负载效应与图案间距相关，如果要改善第二根字线(即与选择栅相邻的第二根字线)的损伤问题和特征尺寸变小问题，则需要调节控制栅布图中第一核和第二核之间的距离，因此如何获得最佳的第一核和第二核之间的距离成为一个关键点，其中第一核和第二核指的是控制栅布图中紧邻选择栅的核和与所述第一核相邻的核。第一核和第二核之间的距离如图2A和图2B所示，其中，A表示第一核(core)的特征尺寸，B表示第一核和第二核之间的距离。

在本发明中，为了确定第一核和第二核之间的合适的距离，在控制栅的试验用光罩的测试结构区域，设计了不同第一核间距的组合，所述第一核间距指的是第一核特征尺寸和第一核与第二核之间的和。所述第一核特征尺寸以及所述第一核与第二核之间的距离的组合示例性地如下表所示。

在试验用控制栅光罩中第一核间距的标准大小是96nm，在上表中第一核间距的大小从89nm至107nm。

当设计好控制栅的试验用光罩的测试结构区域后，则使用该试验用控制栅光罩进行NAND器件的制作，也即进行控制栅的双重图形刻蚀，在所制作的器件的测试结构区域(一般位于晶圆的切割道上)中形成具有不同第一核间距的字线图案，然后这些字线图案的特征尺寸，更具体地对这些字线图案中第二根字线的特征尺寸进行测量，并根据测量结果获得对第二根字线的特征尺寸与所述第一核和所述第二核之间距离(即B)的关系。

图2C示出了第二根字线特征尺寸随第一核和第二核之间的距离的变化示意图，其中，A23～A29分别表示第一核的特征尺寸为23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm时，第二字线特征尺寸与第一核和第二核之间的距离的关系曲线。如图2C所示，随着第一核和第二核之间的距离增大，第二根字线的特征尺寸(WL2CD)增大，也即第一核(图2B中C1)向选择栅SG移动(因为在整个器件密度不变的情况下，第一核和第二核之间的距离增大，意味着第一核和选择栅SG之间的距离减小，也即第一核向选择栅SG移动)可以增加第二根字线的特征尺寸。

进一步地，根据测试可以获得第一核和第二核之间的距离在何种范围时可以避免第二根字线特征尺寸变小和损伤的问题。在本实施例中，根据上述测试结果，当使第一核和第二核之间的距离(即B)相对实验用光罩中的第一核和第二核之间的标准距离增大5nm～7nm时，可以在刻蚀中有效平衡刻蚀负载效应的影响，得到更好的字线特征尺寸均匀性。所述实验用光罩中的第一核和第二核之间的标准距离指的是所述实验用光罩中的器件区域中的第一核和第二核之间距离，其在上述测试并未改变。

本发明基于此，提出一种NAND器件的制作方法，用于实现NAND器件制作中控制栅的双重图形刻蚀，如图3所示，该制作方法包括：

步骤301，确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，其中所述光刻图案包括多个间隔排列的核，所述第一核表示所述多个核中紧邻选择栅的核，所述第二核表示所述多个核中与所述第一核相邻的核。

第一核和第二核之间的距离的确定过程如上所述，即首先，在用于控制栅双重图形刻蚀的实验用光罩的测试结构区域设计具有不同第一核间距的图案，所述第一核间距表示所述第一核的特征尺寸和所述第一核与所述第二核之间距离的和；接着，使用所述实验用光罩进行控制栅的双重图形刻蚀以在半导体衬底上形成字线图案；接着，测试所述半导体衬底上的测试结构区域中的字线的特征尺寸；最后确定所述半导体衬底上的测试结构区域中特征尺寸满足要求的字线所对应的所述第一核的特征尺寸以及所述第一核与第二核之间距离。

步骤302，根据所确定的第一核和第二核之间的距离设计光罩。

当确定好第一核和第二核之间的距离后，则根据该距离设计新的用于控制栅双重图形刻蚀的光罩。在新设计的光罩，光罩中器件区域中第一核和第二核之间的距离使用上述确定的距离，而其它核之间的距离，例如第二核和第三核之间的距离(例如图2B中C2和C3之间的距离)保持不变。

步骤303，使用所述光罩在衬底上形成所述用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案。

光刻图案可以通过涂覆、曝光、显影等操作形成，在此不再赘述。

步骤304，在所述核的侧壁上形成间隙壁。

间隙壁的形成过程例如包括沉积覆盖光刻胶图案和衬底的间隙壁材料层，然后对间隙壁材料层进行刻蚀，去除位于光刻胶图案顶部和衬底表面的部分，保留位于核的侧壁上的部分，从而形成间隙壁。

步骤305，去除所述光刻图案。

示例性地，通过合适的溶剂或灰化方法去除光刻图案。

步骤306，以所述间隙壁为掩膜进行控制栅刻蚀。

示例性地，通过合适的干法刻蚀工艺进行控制栅刻蚀，控制刻蚀包括控制栅硬掩膜层的刻蚀和控制栅材料层的刻蚀。

至此，完成了根据本发明实施例的NAND器件制作方法实施的工艺步骤，可以理解的是，本实施例NAND的制作不仅包括上述步骤，在上述步骤之前、之中或之后还可包括其他需要的步骤，比如整个NAND器件的制作还包括隔离层(ONO)的刻蚀和浮栅的刻蚀过程，这些都本领域的常规的方法进行，在此不再赘述。

根据本发明的NAND的制作方法，通过测试确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，找到最佳设计条件，从而有效平衡刻蚀过程中的负载效应的影响，进而克服了NAND器件中靠近选择栅的第二根字线容易出现变小和损伤问题，改善边缘字线特征尺寸的均匀性，提高器件的性能。

本发明的另一方面还提供一种NAND器件，包括：半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有字线图案，所述字线包括依次堆叠设置的浮栅、隔离层和控制栅，其中所述控制栅采用上述的NAND器件的制作方法制作。

本发明的再一个实施例提供一种电子装置，包括NAND器件以及与所述NAND器件相连的电子组件。其中，该NAND器件包括：半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有字线图案，所述字线包括依次堆叠设置的浮栅、隔离层和控制栅，其中所述控制栅上述的NAND器件的制作方法制作。

其中，半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。半导体衬底上可以形成有器件，例如NMOS和/或PMOS等。同样，半导体衬底中还可以形成有导电构件，导电构件可以是晶体管的栅极、源极或漏极，也可以是与晶体管电连接的金属互连结构，等等。在本实施例中，半导体衬底的构成材料选用单晶硅。

进一步地，浮栅和控制栅可以采用本领域常用的材料，比如多晶硅等常用材料。而隔离层则优选地采用ONO结构，即，氧化物、氮化物、氧化物结构，这样既具有良好的界面性能，也具有较高的介电常数。

其中，该电子组件，可以为分立器件、集成电路等任何电子组件。

本实施例的电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可为任何包括该半导体器件的中间产品，例如FLASH器件。

其中，图4示出NAND FLASH器件的示例。NAND FLASH器件包括用于接收和存储数据的NAND FLASH模块401和管理控制模块402，管理控制模块402一端通过FLASH总线和NANDFLASH模块401相连，另一端通过外部接口与外界应用设备相连，其中NAND FLASH模块401采用上述NAND器件。

本发明实施例的电子装置，由于所包含的NAND器件具有更好的字线均匀性，性能提高。因此该电子装置同样具有类似的优点。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种NAND器件的制作方法，用于实现NAND器件制作中控制栅的双重图形刻蚀，其特征在于，包括：

确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离，其中所述光刻图案包括多个间隔排列的核，所述第一核表示所述多个间隔排列的核中紧邻选择栅的核，所述第二核表示所述多个间隔排列的核中与所述第一核相邻的核；

根据所确定的第一核和第二核之间的距离设计光罩；

在所述核的侧壁上形成间隙壁；

去除所述光刻图案；

以所述间隙壁为掩膜进行控制栅刻蚀，

所述确定用于控制栅双重图形刻蚀的光刻图案中第一核和第二核之间的距离包括：

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述实验用光罩的测试结构区域中的所述第一核的特征尺寸为23nm～29nm。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述实验用光罩的测试结构区域中的所述第一核与所述第二核之间距离为66nm～78nm。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述光罩中所述第一核与第二核之间的距离比所述实验用光罩中所述第一核与第二核之间的标准距离增大5nm～7nm。

5.一种NAND器件，其特征在于，包括：半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有字线图案，所述字线包括依次堆叠设置的浮栅、隔离层和控制栅，其中所述控制栅采用权利要求1-4任意一项所述的NAND器件的制作方法制作。

6.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求5所述的NAND器件以及与所述NAND器件相连接的电子组件。